【文章內(nèi)容簡介】 tive， P194) 組相聯(lián)映象方式是全相聯(lián)與直接相聯(lián)的一個折中方案 ， 性能也是二者的折中 。 具體做法是先將實(shí)存分組 ， 每組內(nèi)有若干實(shí)頁 ， 然后將虛存空間也以同樣大小分組 。 所有虛組按照直接相聯(lián)方式映射到實(shí)組集合 ， 對應(yīng)的虛實(shí)組之間各頁則用全相聯(lián)映射 ， 如下頁示意圖 (a)、 (b)所 示 （ 設(shè)實(shí)組數(shù)為 2） 。 由于包含了兩層不同的映射關(guān)系 ， 頁表須按虛組劃分成許多子表 。 在虛實(shí)變換時(shí) ， 首先根據(jù)虛頁號所在的虛組號 ， 通過求模運(yùn)算確定實(shí)組號 ， 再按虛組號在相應(yīng)的子表內(nèi)讀出組內(nèi)頁號 ， 拼接在一起就是實(shí)頁號 。 簡記為 “ 組號計(jì)算 、 組內(nèi)查表 ” 。 如圖 (c)所示 。 采用組相聯(lián)映象方式時(shí) ， 每個虛頁在對應(yīng)實(shí)組范圍內(nèi)有若干映象實(shí)頁可供選擇 ， 實(shí)頁爭用的發(fā)生頻率比直接相聯(lián)要低；另一方面 ， 由于頁表內(nèi)原來存放的實(shí)頁號改成存組內(nèi)頁號 ， 省略了實(shí)組號字段 ， 所以頁表占用空間也減少了 。 當(dāng)然這兩方面優(yōu)點(diǎn)是互相抵觸的：組內(nèi)頁數(shù)越多 ， 實(shí)存空間劃分的組數(shù)就越少 ， 實(shí)組號字段所占位數(shù)也少 ， 這時(shí)改善實(shí)頁爭用現(xiàn)象的效果較好 ， 而節(jié)省頁表空間的效果較差 ， 反之亦然 。 實(shí)際使用中可根據(jù)性能要求選取合適參數(shù) 。 這種映象方式性價(jià)比較好 ， 在 Cache主存層次中被普遍使用 。 實(shí)組內(nèi)頁數(shù)被稱為 “ 路數(shù) ” ， 又稱為 “ 相聯(lián)度 ” （ associativity） ,它表明一個虛頁的選擇范圍 。 下頁圖示為 2路組相聯(lián) （ 2way set associative）。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 32 組相聯(lián)的地址映象方式與地址變換原理 (a)(b) 虛存 實(shí)頁 0 1 2 3虛組 0 0 0 √ √ 1 實(shí)存 1 √ √虛組 1 2 0 實(shí)組 0 2 √ √ 3 1 虛 3 √ √虛組 2 4 2 實(shí)組 1 頁 4 √ √ 5 3 5 √ √虛組 3 6 6 √ √ 7 7 √ √( a ) 虛頁集合與實(shí)頁集合的對應(yīng)關(guān)系 ( b) 對應(yīng)關(guān)系表 （ √ 為有關(guān)系）組相聯(lián)的 “ 候選位置 ” 為組內(nèi)頁數(shù)，即 “ 路數(shù) ” 。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 33 組相聯(lián)的地址映象方式與地址變換原理 (c) 虛地址 虛組號 1 0 組內(nèi)頁號 1 頁內(nèi)偏移量 D實(shí)地址 實(shí)組號 0 組內(nèi)頁號 0 頁內(nèi)偏移量 d0 組子表 項(xiàng) 0 ： ： ： 項(xiàng) 1 ： ： ：1 組子表 項(xiàng) 0 ： ： ： 項(xiàng) 1 ： ： ：2 組子表 項(xiàng) 0 ： ： ： 項(xiàng) 1 0 裝入位 1 ：3 組子表 項(xiàng) 0 ： ： ： 項(xiàng) 1 ： ： ：( c ) 求模運(yùn)算與分組查表結(jié)合進(jìn)行虛實(shí)變換示例 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 34 (4) 位選擇組相聯(lián) (P194圖 ) 位選擇組相聯(lián)映象方式映象關(guān)系中 ， 實(shí)存分組 ， 虛存按實(shí)組數(shù)分區(qū) ， 區(qū)內(nèi)不分組 。 虛塊號與實(shí)組號之間是直接映象關(guān)系 ， 而虛塊與該實(shí)組內(nèi)的各個實(shí)塊之間是全相聯(lián)映象方式 。 例如 ， 虛塊 0可以映象到實(shí)組 0的任意一塊中 。 在一般組相聯(lián)映象方式中 ， 一個虛組與一個實(shí)組之間是多個塊到多個塊的映象 。 而在位選擇組相聯(lián)映象方式中 ， 改成了一個虛塊到實(shí)組中多個塊的映象 。 映象關(guān)系明顯簡單 ， 實(shí)現(xiàn)起來可以容易些 。 另外 ， 從數(shù)據(jù)的分布情況看。 對于一般組相聯(lián)映象方式 ， 虛存中的幾個連續(xù)塊映象到實(shí)存中可能也是連續(xù)的 ， 而對于位選擇組相聯(lián)映象方式 ， 虛存中的連續(xù)塊映象到實(shí)存中肯定是不連續(xù)的 ， 它們被分散到實(shí)存的各個組中 。 由于在虛存與實(shí)存之間是以塊為單位進(jìn)行調(diào)度的 ， 而實(shí)存是以字為單位訪問的 ， 只要實(shí)存中的一個字不跨越兩個塊 ， 在實(shí)存內(nèi)部的塊與塊之間的分布是否連續(xù)對實(shí)存的正常工作是沒有關(guān)系的 。 由于虛存每個區(qū)中的塊數(shù)與實(shí)組數(shù)相等 ， 而且它們之間采用直接映象方式， 因此 ， 虛存地址中的區(qū)內(nèi)塊號可以直接作為實(shí)組號 。 位選擇組相聯(lián)的地址變換過程比一般組相聯(lián)映象方式簡單 ， 而與全相聯(lián)映象方式基本相同 。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 35 位選擇組相聯(lián)的地址映象方式與地址變換原理 (a)(b) 虛存 實(shí)頁 0 1 2 3 虛 區(qū) 0 0 0 √ √ 1 實(shí)存 1 √ √ 虛 區(qū) 1 2 0 實(shí)組 0 2 √ √ 3 1 虛 3 √ √ 虛 區(qū) 2 4 2 實(shí)組 1 頁 4 √ √ 5 3 5 √ √ 虛 區(qū) 3 6 6 √ √ 7 7 √ √ (a ) 虛頁集合與實(shí)頁集合的對應(yīng)關(guān)系 (b ) 對應(yīng)關(guān)系表（ √ 為有關(guān)系） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 36 位選擇組相聯(lián)的地址映象方式與地址變換原理 (c) 虛頁號 P 虛地址 虛區(qū)號 10 區(qū)內(nèi)頁號 1 頁內(nèi)偏移量 D 實(shí)地址 實(shí)組號 1 組內(nèi)頁號 0 頁內(nèi)偏移量 d 組內(nèi)頁號 裝入位 修改位 表項(xiàng) 0 ： ： ： ： ： ： ： 表項(xiàng) P 0 1 0 ： ： ： ： 表項(xiàng) 7 ： ： ： (c ) 位選擇組相聯(lián)映象方式的 虛實(shí)變換 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 37 (1) 頁表法 每個虛頁對應(yīng) 1項(xiàng)，虛頁號就是項(xiàng)號，項(xiàng)內(nèi)存儲實(shí)頁號，如課堂練習(xí) 。這種方法原理簡單，但是占用空間非常大。當(dāng)頁表尺寸超過 1頁時(shí)，它本身還要按頁面尺寸分割成許多分散存放的子表，再造一個“表上表”來找到當(dāng)前需要的子表。進(jìn)一步發(fā)展就會形成“多級頁表” ， 導(dǎo)致虛實(shí)變換分多步進(jìn)行，時(shí)間大大延長。 虛實(shí)變換基本方法（ P195） 頁映象 L4 基址寄存器（ CR3 ） 63 000 ? 0 或 111 ? 1 頁映象 L4 頁映象 L4 表 頁映象項(xiàng) + 頁目錄 + 頁目錄項(xiàng) 頁表項(xiàng) 指針項(xiàng) + 頁目錄指針 頁目錄 頁表 頁內(nèi)位移 48 47 39 38 30 29 21 20 12 11 0 … … 頁目錄指針表 頁目錄表 頁表 + … … 物理地址 物理頁號 頁內(nèi)位移 主存儲器 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 38 (2) 部分虛實(shí) 表法（ P195圖 ） 這是一種統(tǒng)稱，指表項(xiàng)數(shù)少于虛頁數(shù)的情形，下面要介紹的 3種方法都屬于這一類。（與 Hash查表有點(diǎn)相似） 表項(xiàng)數(shù)少于虛頁數(shù)意味著查表時(shí)會有多個虛頁查到表中同一項(xiàng)的情況發(fā)生，另外也意味著區(qū)分表中項(xiàng)號的地址位數(shù)少于虛頁號的位數(shù)，虛頁號中未用的位數(shù)正是造成重復(fù)的原因。 表項(xiàng)數(shù)少于虛頁數(shù)的做法既是節(jié)省成本的需要，也符合任何時(shí)刻只有少部分虛頁占用實(shí)存的實(shí)際，問題是每個表項(xiàng)必須說明它當(dāng)前記錄的是一組共享虛頁中的哪一個的信息，這就要用到“標(biāo)識”字段。 虛頁號里用于計(jì)算表內(nèi)地址的部分稱為 “ 索引 ” index ， 用來與查表內(nèi)容相比較的部分稱為 “ 標(biāo)識 ” tag。 下圖以組相聯(lián)為例說明 “ 標(biāo)識 ” 的意義 ， 它有 16個虛頁 ， 只用 4個表項(xiàng) 。 虛實(shí)變換基本方法（續(xù) 1） 虛頁號 項(xiàng)號 標(biāo)識 實(shí)頁號 裝入標(biāo)志 其它標(biāo)志 標(biāo)識 11 索引 10 00 11 01 1 ? 01 00 00 0 ? 10 01 11 1 ? 11 10 10 1 ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 39 (3) 快慢表方法（ P231） 這是頁表法的一種加快方案。地址變換緩沖器 TLB（ Translation Lookaside Buffer） 是一個專用的高速緩沖器，用于存放近期經(jīng)常使用的頁表項(xiàng)副本， TLB利用程序的局部性原理，以小表代替大表，縮短查找時(shí)間。 虛實(shí)變換基本方法（續(xù) 2） 虛擬地址 〈 36 〉 〈 12 〉 虛頁號 頁內(nèi)位移 物理地址 〈 1 〉 V R/W ① ② ③ ④ ? U/S D A 〈 1 〉 〈 1 〉 〈 36 〉 標(biāo)識 〈 28 〉 ? ? 40 選 1 多路選擇器 ? 〈 28 〉 〈 12 〉 40 位 物理地址 （ 低 12 位地址 ） （ 高 28 位地址 ） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 40 (4) 目錄表法（ P196第 1段） 只對已經(jīng)裝入實(shí)存的虛頁造表，其項(xiàng)數(shù)比頁表少得多。 為避免逐行比對，須使用相聯(lián)存儲器來存放，通過并行比較實(shí)現(xiàn)一次查遍，器件價(jià)格遠(yuǎn)高于普通存儲器。 虛實(shí)變換基本方法（續(xù) 3） 從 2g組中 選擇一組 h 位 g 位 標(biāo)識 索引 相聯(lián)比較 … … 總?cè)萘浚?2g n 項(xiàng) 組內(nèi)塊地址（ log 2 n 位） n 個項(xiàng) 標(biāo)識存儲器 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 41 (5) 單體多字存儲器＋多比較器查表方法（ P196第 2段 ） 這是 目錄表 法的一種廉價(jià)方案，對組相聯(lián)非常適用。限制條件是組內(nèi)頁數(shù)不太多，下圖為 4的情況。 虛實(shí)變換基本方法（續(xù) 4） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 42 主 ─輔層次虛實(shí)變換實(shí)現(xiàn) 主流方案：全相聯(lián)，頁表法（ P232） P 位 S 位 虛地址 虛頁號 偏移 p 位 實(shí)地址 實(shí)存 頁表 1 頁 =2S 實(shí)頁號 標(biāo)志位 裝入？ ∶ ∶ 行數(shù) =2P 行數(shù) 頁數(shù) 8b 頁數(shù) =2p 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 43 Cache ─ 主存層次虛實(shí)變換實(shí)現(xiàn)（直接相聯(lián)） 快命中方案：直接相聯(lián)，目錄表法（ P196， 圖 ） P 位 S 位 虛地址 虛塊號 偏移 標(biāo)識段 索引段 （ p 位 ） p 位 實(shí)地址 實(shí)存 目錄表 1 塊 =2S 標(biāo)識 實(shí)塊號 標(biāo)志位 裝入？ 比較 命中？ ∶ ∶ 行數(shù) =2P 行數(shù) = 塊數(shù) 8b 塊數(shù) =2p 舉例：為了方便用 10進(jìn)制討論。設(shè)虛塊號 =000～ 999，實(shí)塊號 =0～ 9，于是有索引 =0～ 9，而標(biāo)識 =00～ 99。 索引 =0的實(shí)塊里裝的虛塊標(biāo)識可以是 00， 01， …… ， 99，對應(yīng)的虛塊號就是 000， 010， 020，030， …… ， 990。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 44 Cache─主存層次虛實(shí)變換實(shí)現(xiàn)（組相聯(lián)） 低失效方案：位選擇組相聯(lián)（ 2路），目錄表法（ P196， 圖 ） P 位 S 位 虛地址 虛塊號 偏移 標(biāo)識段 索引段 （ p 1 位 ） p 位 2 實(shí)地址 取 2 行 選擇 實(shí)存 目錄表 1 塊 =2S 標(biāo)識 0 實(shí)塊號 0 標(biāo)志位 裝入？ 標(biāo)識 1 實(shí)塊號 1 標(biāo)志位 裝入？ ∶ 0 比較 命中 0 ？ ∶ 1 比較 命中 1 ？ ∶ 行數(shù) =2P 行數(shù) = 塊數(shù) 8b 塊數(shù) =2p 直接相聯(lián)： 位選擇組相聯(lián)（時(shí)鐘延長 1 0 % ）： AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB AF I F ID EX ME WB AF IF ID EX ME WB 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 45 偽相聯(lián)（ P209） 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 直接映象 組相